火星觀測歷史

哈勃望遠鏡觀測到的火星最清晰的圖像: 儘管美國化學學會的筋膜指進入了火星，在全解像度下，其空間規模達到了5英里（每像素8公里）。

火星觀測歷史是關於火星觀測記錄在冊的歷史。 早期的火星觀測記錄可以追溯到公元前兩千年古埃及天文學家的時代。 中國關於火星運動的記錄出現在周朝建立之前(公元前1045年)。 巴比倫天文學家對火星的位置進行了詳細的觀測，他們發明了算術技術來預測火星的未來位置。 古希臘哲學家和天文學家發明了地心說來解釋行星的運動。 在古希臘和古印度文獻中可以找到對火星角直徑的測量相關記載。 16世紀，尼古拉·哥白尼提出了太陽系的日心說，這個模型提出行星沿着環繞太陽的圓形軌道運行。 約翰內斯 · 開普勒對此進行了修正，得出了一條更符合觀測數據的火星橢圓軌道。

1610年伽利略第一次用望遠鏡觀測火星。 在一個世紀內，天文學家發現了這顆行星上明顯的反照率特徵，包括黑色的大瑟提斯高原和極地冰蓋。 他們能夠確定行星的自轉周期和軸向傾斜。 這些觀測主要是在火星與太陽處於相對位置的時間間隔內進行的，在這個時間間隔內，地球離火星最近。19世紀早期發明的高級望遠鏡使得人們能夠詳細繪製火星永恆的反照率特徵。1840年 第一張粗略的火星地圖出版，1877年之後繪製出了更精確的地圖。 當天文學家誤以為他們已經探測到了火星大氣層上水的光譜特徵時，火星上存在生命的說法逐漸流行起來。 珀西瓦爾 · 洛厄爾相信他可以看到一個人造火星運河。 這些線性特徵後來被證明是視錯覺，大氣層太薄，不具備類似地球的行星適居性。

自19世紀70年代以來，人們就觀測到了火星上的黃色雲層，歐仁·米歇爾·安東尼亞第認為這些雲層是被風吹起的沙子或塵埃。 20世紀20年代，測量出了火星表面溫度從 -85到7攝氏度(- 121到45華氏度)。 並且大氣層是乾旱的，只有微量的氧氣和水。 1947年，傑拉德·柯伊伯發現薄薄的火星大氣層星雲中含有大量的二氧化碳，大約是地球大氣中二氧化碳含量的兩倍。 火星反照率特徵是在1960年由國際天文聯會第一次正式命名。 自20世紀60年代以來，已經發射了多枚機械人航天器從運行軌道和火星表面探測火星。 這顆行星一直在地面和太空儀器大範圍的電磁波譜的監視之下。 通過在地球上發現的火星隕石，實驗室能夠對火星的化學條件進行研究。

1590年10月13日，德國天文學家梅斯特林觀察到金星掩星火星。 他的一個學生，約翰內斯 · 開普勒，很快成為哥白尼體系的信徒。 完成學業後，開普勒成為丹麥貴族和天文學家第谷 · 布拉赫的助手。 隨着獲得第谷詳細的火星觀測資料的許可，開普勒開始着手用數學方法組裝一個替代普爾滕尼克表。 在多次未能按照哥白尼學說的要求將火星的運動適應到一個圓形軌道之後，他成功地將第谷的觀察結果進行了匹配，假設軌道是一個橢圓，而太陽位於其中一個焦點上。 他的模型成為開普勒行星運動定律的基礎，這些定律在他的多卷本著作《天文學縮影》(Epitome Astronomiae Copernicanae)中發表於1615年至1621年間。

早期望遠鏡觀測

在火星最接近地球的時候，它的角直徑是25角秒(度的單位) ; 這對於肉眼來說太小了，無法分辨。 因此，在望遠鏡發明之前，除了行星在天空中的位置，我們對它一無所知。 意大利科學家伽利略·伽利萊是已知的第一個使用望遠鏡進行天文觀測的人。記錄顯示，他從1610年9月開始用望遠鏡觀察火星。 這台儀器太原始，無法顯示行星表面的任何細節，因此他設定了目標，觀測火星是否表現出與金星或月球相似的部分黑暗相位。雖然他不確定自己能否成功，但是到了12月份，他注意到火星角直徑的確縮小了。 1645年，波蘭天文學家約翰·赫維留成功地觀測到火星的一個相位。

低反照率特性大瑟提斯高原在圓盤可見。 美國宇航局 / 哈勃空間望遠鏡拍攝。

1644年，意大利耶穌會士丹尼洛 · 巴托利稱在火星上看到了兩塊較暗的地方。 在1651年、1653年和1655年的天體對立期間，火星最接近地球時，意大利天文學家喬瓦尼·巴蒂斯塔·里喬利和他的學生弗朗切斯科·馬里亞·格里馬爾迪注意到火星上有不同的反照率。 第一個繪製火星地形特徵地圖的人是荷蘭天文學家克里斯蒂安·惠更斯。 1659年11月28日，他繪製了一幅火星圖，上面顯示了一個獨特的黑暗區域，現在被稱為大瑟提斯高原，可能是一個極地冰蓋。 同年，他成功地測量了這顆行星的自轉周期約為24小時。 他粗略估計了火星的直徑，大約是地球直徑的60% ，與現在測量的53% 較為符合。 也許第一次火星南極冰帽的概念是意大利天文學家喬瓦尼·多梅尼科·卡西尼於1666年提出的。 同年，他利用對火星表面標記的觀測，確定了一個24小時40分鐘的自轉周期。 這與目前普遍接受值相差不到三分鐘。 1672年，惠更斯觀察到到北極有一頂毛茸茸的白帽子。

1671年，卡西尼成為巴黎天文台的第一任主任後，他解決了太陽系大小的問題。 根據開普勒第三定律確定了行星軌道的相對大小，所以需要確定行星軌道之一的實際大小。 為此，根據地球上不同點的背景恆星測量了火星的位置，從而測量了火星的日視差。 在這一年裏，這顆行星正沿着它的軌道移動到離太陽最近的地方(近日點對日點) ，這使得它離地球特別近。 卡西尼和皮卡德在巴黎確定了火星的位置，而法國天文學家里希爾從南美洲的開雲確定了火星的位置。 雖然這些觀測結果受到儀器質量的影響，但卡西尼號計算出的視差與正確值相差不到10% 。 英國天文學家約翰 · 弗拉姆斯蒂德進行了對比測量，得到了類似的結果。

1704年，意大利天文學家雅克 · 菲利普 · 馬拉爾迪「對南方冰帽的系統研究，並觀察隨着行星的旋轉，它所經歷的變化」。 這表明冰帽並不在極地的中心。 他觀察到冰帽的大小隨着時間而變化。 1777年，德國出生的英國天文學家威廉·赫歇爾開始對火星進行觀測，特別針對火星的極冠進行觀測。 1781年，他注意到南方冰帽看起來「非常大」 ，他認為這是因為在過去的12個月裏南極一直處於黑暗之中。 到了1784年，南極冰帽變小了很多，這表明冰帽隨着地球季節變化而變化，因此它是由冰組成的。 1781年，他推測火星的自轉周期為24小時39分21.67秒，並測量了火星兩極對軌道平面的軸向傾斜為28.5秒。 他指出，火星有」相當大卻溫和的大氣層，因此其居民可能在許多方面與我們類似」。 在1796年到1809年之間，法國天文學家奧諾雷弗勞格蓋斯注意到火星上的模糊圖象，認為「赭色的面紗」覆蓋了火星表面。 這可能是最早關於火星上黃雲或風暴的報道。

完善行星參數

左圖中，在極地附近可以看到薄薄的火星雲。 右圖中，火星表面被沙塵暴遮蓋。 美國宇航局 / 哈勃空間望遠鏡拍攝的圖片

19世紀70年代，夏帕瑞麗觀測到黃雲造成的地表模糊現象。 在1892年和1907年的對立期間觀測到黃雲的證據。 1909年，安東尼亞迪指出黃雲的出現與反照率特徵的模糊有關。 他發現當火星距離太陽最近時，在相反的位置上火星會顯得更黃，而且會接收到更多的能量。 他認為風沙或灰塵是造成雲層的原因。

1894年，美國天文學家威廉·華萊士·坎貝爾發現火星的光譜與月球的光譜完全相同，這使人們對新興的火星大氣層與地球大氣層相似的理論產生了懷疑。 之前探測到的火星大氣中的水被解釋為不利條件，坎貝爾確定水完全來自地球的大氣層。 儘管他同意冰帽確實表明大氣中存在水，但他不認為冰帽足夠大到可以探測到水蒸氣。當時，坎貝爾的說法被認為是有爭議的，並受到天文學界成員的批評，但在1925年得到了美國天文學家沃爾特·亞當斯的證實。

20世紀

主條目：火星探測

海盜2號接近火星時所照，可見艾斯克雷爾斯山、水手號峽谷和覆霜的阿爾及爾平原。

動畫展示各個火星探測器的登陸點

海盜1號登陸器所攝地景

蘇聯、美國、歐洲、日本、印度、中國 和阿拉伯聯合酋長國共已發射數十艘太空船研究火星表面、地質和氣候。這些太空船包括軌道衛星、登陸器和漫遊車，但大約有三分之二的任務在完成前或剛要開始時就因種種原因而失敗。目前將一公斤物體由地球表面送往火星平均要花費約30,900美元。

1960年10月10日，蘇聯向火星發射了第一枚探測器火星1A號，但以失敗告終。此後蘇聯經過多次嘗試，終於在1962年11月1日，蘇聯向火星發射了火星1號，這枚探測器終於進入了前往火星的軌道，然而1963年3月21日它飛行到距離地球1.06億公里的距離時，與地面永遠失去了通信聯繫。1965年NASA的水手4號飛掠火星。1971年水手9號進入火星軌道，成為第一個環繞火星的探測船。

1971年蘇聯火星計劃火星2號的登陸器墜毀後數日，相同的火星3號的登陸器成功登陸火星，是第一個成功登陸火星的探測器，但登陸十幾秒後隨即失去聯繫，攜帶的火星車Prop-M也未能將訊息傳回地球。1975年NASA發射海盜號，包括兩組軌道衛星和登陸器。海盜1號和2號軌道衛星各運作了六年和三年。兩個登陸器皆於1976年成功登陸，並傳送了第一張火星地景的彩色照片，而軌道衛星也繪製了很好的火星地圖，甚至到今天都還在使用。

1988年蘇聯發射弗伯斯1號、2號以探測火星和兩個衛星。弗伯斯1號於抵達前失去聯繫，而弗伯斯2號雖然成功拍攝了火星和火衛一，但在放出兩艘登陸器到火衛一前也失去聯繫，所攜帶的着陸器也沒能在火星表面着陸。

在1992年火星觀察者失敗後，NASA於1996年11月發射了火星全球勘測者。火星全球勘測者於1997年進入火星環繞軌道，其出色地完成任務，它在2001年完成了地圖繪製的任務，並三次延長任務，直到2006年11月2日失去聯繫而結束，總計在太空中運作了10年。在火星全球勘測者發射一個月後，NASA發射了火星探路者，並攜帶一個登陸器和漫遊車——旅居者號（Sojourner），於1997年7月登陸在阿瑞斯峽谷。旅居者號成為第一個在火星上成功運作的火星車，並運作長達83個火星日傳回了大量照片。

NASA的火星勘測98計劃於1998、99年發射了火星氣候衛星與火星極地登陸者，前者預計研究氣候、水與二氧化碳等，後者則預計於南極登陸，探測器搭載的深空2號則計劃於火星極地登陸者進入大氣時與它分離，直接降落並穿入地表進行研究。但火星氣候探測者號在1999年9月23日在進入火星軌道的過程中失去聯絡，最終任務失敗，極地登陸者則在1999年12月3日探測器登陸火星時失去聯絡，兩者均以失敗告終。

另外，1996年12月16日，俄羅斯發射了火星96號探測器，探測器進入地球軌道後未能成功點火進入前往火星的軌道，而宣告失敗。1998年7月3日日本發射的希望號探測器，於2003年12月10日進行最後的遠程遙控修復作業仍告無效之後，日本放棄「希望號」進入火星軌道的嘗試，項目也以失敗告終。

21世紀

2001年NASA發射了2001火星奧德賽號，任務成功進行並延續到2010年9月。船上的伽瑪射線光譜儀於地表下一公尺內偵測到大量的氫，證明有大量的水分子存在火星近地表。2003年NASA發射了兩台相同的火星探測漫遊者——精神號（MER-A）和機會號（MER-B）。兩台皆於2004年1月成功登陸並工作超過預定時間。傳回的資料中最有價值的是兩地過去有水的確實證據。塵捲風和風暴偶爾清除了太陽能板上的沙塵，使它們能以超過預定任務時間繼續工作。

2003年歐洲太空總署發射了火星快車號，包括軌道衛星和登陸器——小獵犬2號，而小獵犬2號於2004年2月降落失敗。2004年船上的行星傅立葉光譜儀於大氣中偵測到甲烷。2006年6月ESA宣佈火星快車號發現極光。

2005年8月NASA發射了火星勘察衛星，於2006年3月進入火星軌道展開為期2年的工作。它搭載更進步的通訊系統，頻寬比之前任務總和還寬，且傳回的資料遠多於過去任務的總和。擁有解像度高達0.3公尺的相機——HiRISE，拍攝地表和天氣以尋找未來任務的適合登陸地點。2008年2月19日拍攝到北極冠邊緣的一系列雪崩影像。

2007年2月25日，探測彗星的羅塞塔號近距離飛掠火星並拍照，拍到火星的高空雲系。

NASA於2007年8月發射鳳凰號，於2008年5月登陸在火星北緯68度的極區。鳳凰號登陸器有一支可伸及2.5公尺的機械手臂，並可挖掘土壤1公尺深。它還搭載一座顯微鏡，解像度達人類頭髮寬度的千分之一。2008年6月20日確認在2008年6月15日發現的地表白色物質為水冰。2008年11月10日進入冬季而無法繼續聯繫鳳凰號，任務結束。2009年2月17日，黎明號飛掠火星以重力助推前往目的地灶神星和穀神星，並在接近火星時拍了照。

2011年11月9日中俄合作的福布斯-土壤號於升空，預計送回火衛一土壤樣本。而該探測器還將搭載一顆重110公斤的火星探測器，也就中國第一艘火星軌道環繞器螢火一號（YH-1），預計乘坐俄羅斯的聯盟號運載火箭升空，航程大約10個月。螢火一號主要研究火星的電離層及周圍空間環境，火星磁場等。該探測器發射到近地軌道後，因為與地面失去聯繫變軌失敗，探測器的碎片於莫斯科時間2012年1月15日墜落在太平洋海域。

繼鳳凰號之後，NASA於2011年的發射的火星科學實驗室（好奇號），在2012年8月6日05:31UTC成功登陸火星的蓋爾撞擊坑。它和火星探測漫遊者一樣是火星車，但比火星探測漫遊者更大、速度更快，而且設備更完善。它搭載雷射化學檢測儀，可在13公尺外分析岩石組成。比起之前其它火星任務，它攜帶了更多先進科學儀器。本次任務的總成本達到了25億美元，是歷來最貴的火星探測任務。2013年11月19日NASA發射MAVEN探測器，研究火星大氣。2014年9月進入環繞火星的軌道，MAVEN至今仍在運作。2014年9月24日，印度的火星軌道探測器也成功進入火星軌道。

2016年3月14日，ESA與俄羅斯聯邦航天局合作研發的火星微量氣體衛星成功發射，該衛星將分析火星大氣層，並將運載斯基亞帕雷利演示登陸器至火星進行登陸。可挖掘兩公尺深以尋找有機物甚至火星生命。登陸器於2016年10月19日登陸火星，但由於登陸器與火星高速碰撞，造成登陸計劃失敗。原定於2020年7月發射的羅莎琳·富蘭克林號，則被推遲到2022年。

2020年7月下旬，阿聯酋希望號火星探測器、中國國家航天局的天問一號、與NASA的毅力號，先後發射升空。2021年2月9日希望號到達火星。2月18日毅力號成功登陸火星，毅力號還攜帶一台火星無人直升機機智號，機智號在2021年4月19日首次試飛獲得成功，這是人類首次實現飛行器在其他星球的受控飛行，4月20日，毅力號成功將火星大氣的二氧化碳轉化成氧，這是地球以外的首次成功造氧。5月15日，中國國家航天局的天問一號着陸器和祝融號火星車在火星烏托邦平原南部預選着陸區成功着陸，5月22日，祝融號被成功釋放到火星表面，中國成為了繼美國之後第二個在火星着陸並且成功部署火星車的國家，而且是第一個一次完成環繞、登陸、巡視的國家。

人類登陸

2004年美國總統布什宣佈載人火星任務為太空探索展望中的長期目標。NASA和洛歇·馬丁已開始研究獵戶座太空船，計劃於2020年以前送人類到月球，作為人類登陸火星的準備。2007年9月28日，NASA執行長麥可·D·格里芬聲明NASA預計於2037年以前送人類到火星。ESA也希望於2030至2035年間將人類送上火星。

直達火星是羅伯·祖賓——火星學會的創始人和主席——提出的極低成本載人火星任務，使用重載的農神五號級火箭，如戰神五號或太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹九號，省略軌道組裝、低地軌道會合和月球燃料補給站而直接用小的太空船前往火星。修改後的計劃，叫做Mars to Stay ，改成先不送回第一批登陸者，狄恩·尤尼克說明送回一開始的四到六人所花費用比送他們到火星還高，反而可再送二十人。